电动工具及其控制方法与流程

1.本发明涉及一种电动工具，具体涉及一种电动工具及其控制方法。


背景技术：

2.电钻、电圆锯等手持式电动工具，功率较小，一个电池包即可满足其供电需求。对于一些大功率电动工具，例如，比如割草机、扫雪机、吹吸机等，单个电池包已经无法满足其供电需求，因此就需要多个电池包为其供电。
3.在一些采用双包串联供电的电动工具中，电池包的可用电量、电动工具的续航时间由电量最小的电池包决定。若两个电池包的电量差别较大，大电量的电池包将不能充分放电从而造成电量的浪费，同时也会影响电动工具的续航时间。


技术实现要素：

4.为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具备串联电池包电量主动均衡功能的电动工具，可以减少串联电池包放电时的电量浪费，提高电动工具的续航时间。
5.本发明采用如下的技术方案：一种电动工具，由串联连接的至少第一电池包和第二电池包供电，该电动工具包括：电机，用于将电能转化为机械能以实现所述电动工具的功能；驱动电路，用于控制输出至所述电机的电流；电源接口，能够电连接第一电池包和第二电池包，以向所述驱动电路提供电能；容量均衡电路，具有若干开关元件和电感元件以切换所述第一电池包和第二电池包之间的充电或放电状态，其中，所述开关元件与所述电感元件串联后并联于所述第一电池包和第二电池包；控制器，至少与所述电源接口和所述容量均衡电路构成电性连接；其中，所述控制器被配置为：能够获取所述第一电池包和第二电池包的电参量；在所述第一电池包和第二电池包的电参量差值达到预设参量阈值时，改变所述容量均衡电路的导通状态。
6.进一步的，所述电参量为电压或电量。
7.进一步的，所述控制器在所述电参量差值达到预设参量阈值时，控制所述容量均衡电路中的第一开关元件导通，并控制所述容量均衡电路中的第二开关元件断开；所述控制器在预设放电时长后，控制所述第一开关元件断开，并控制所述第二开关元件导通；其中，与所述电感元件串联后并联于所述第一电池包的为第一开关元件，与所述电感元件串联后并联于所述第二电池包的为第二开关元件，所述第一电池包的电参量高于所述第二电池包的电参量。
8.进一步的，所述控制器以预设频率控制所述第一开关元件的导通和所述第二开关元件的断开，以及所述第一开关元件的断开和所述第二开关元件的导通。
9.进一步的，所述控制器在所述电参量差值小于所述预设参量阈值时，控制所述第一开关元件和所述第二开关元件同时断开。
10.进一步的，所述控制器能够获取所述第一电池包中电压最低的电芯的第一电压，获取所述第二池包中电压最低的电芯的第二电压；在所述第一电压和所述第二电压之间的
差值达到预设参量阈值时，改变所述容量均衡电路的导通状态。
11.进一步的，所述控制器能够获取所述第一电池包的第一电量，获取所述第二池包的第二电量；在所述第一电量和所述第二电量之间的差值与所述第一电量的百分比达到预设参量阈值时，改变所述容量均衡电路的导通状态。
12.一种电动工具控制方法，用于控制由串联连接的至少第一电池包和第二电池包供电电动工具，该电动工具包括：将电能转化为机械能以实现电动工具的功能的电机；驱动电路，用于控制输出至电机的电流；能够电连接第一电池包和第二电池包，以向驱动电路提供电能的电源接口；容量均衡电路，具有若干开关元件和电感元件以切换第一电池包和第二电池包之间的充电或放电状态；至少与电源接口和容量均衡电路电连接的控制器，该方法包括：能够获取所述第一电池包和第二电池包的电参量；在所述第一电池包和第二电池包的电参量差值达到预设参量阈值时，改变所述容量均衡电路的导通状态。
13.进一步的，在两电池包的电参量差值达到预设参量阈值时，控制所述容量均衡电路中的第一开关元件导通，并控制所述容量均衡电路中的第二开关元件断开；在预设放电时长后，控制所述第一开关元件断开，并控制所述第二开关元件导通；其中，两电池包中电参量高的为第一电池包，电参量低的为第二电池包，与所述电感元件串联后并联于所述第一电池包的为第一开关元件，与所述电感元件串联后并联于所述第二电池包的为第二开关元件。
14.进一步的，以预设频率控制所述第一开关元件的导通和所述第二开关元件的断开，以及所述第一开关元件的断开和所述第二开关元件的导通。
15.本发明的有益之处在于：能够实现串联电池包之间的电量均衡，保证电动工具的续航时间。
附图说明
16.图1是作为一种实施方式的电动工具的电路框图；图2是作为一种实施方式的容量均衡电路和电池包的连接示意图；图3是作为一种实施方式的充电器的电路框图；图4是作为一种实施方式的电动工具的控制方法的流程示意图；图5是作为一种实施方式的充电器的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
17.以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
18.本发明的技术方案所适用的电动工具包括但不限于：如割草机、扫雪机、吹吸机、修枝机和链锯等园林类电动工具，或者其他大功率电动工具。只要这些电动工具能够采用以下披露的技术方案的实质内容即可落在本发明的保护范围内。
19.在本发明的第一个实施例中，参考图1所示的一种电动工具的电路结构框图。电动工具可以包括电源接口101、容量均衡电路102、驱动电路103、电机104和控制器105。
20.电源接口101，能够电连接第一电池包和第二电池包，以向驱动电路103提供电能。
在一个实施例中，如图1所示，两个电池包bat1和bat2通过电源接口101串联后向驱动电路103供电，即电池包bat1对应的1接口与电池包bat2对应的2接口连接，电池包bat1对应的2接口和电池包bat2对应的1接口作为驱动电路103的输入端。两个串联的电池包的类型可以相同也可以不同，例如，电池包可为锂电池包、锂基电池包、固态电池包或石墨烯电池包。二者的额定电压或者容量也可以相同或者不同，可选的，电池包的额定电压为18v、20v、24v、28v、30v、56v、大于56v等，容量为1.2ah，1.3ah，1.4ah，2.0ah，2.4ah，2.6ah，3.0ah等。一般而言，为实现较优的充放电状态，两个串联的电池包可以具有相同的类型和型号。可选的，通过电源接口101输出的电压可以直接输出至驱动电路103为电机104供电，也可以通过整流桥或者逆变器或者变压器等调整为适合不同电动工具的电压后，输出至驱动电路103为电机104供电。
21.电机104用于将电能转化为机械能，进而控制与之连接的电动工具的附件实现相应的功能，例如，电机104可操作的与割草机的刀片连接，可以驱动刀片转动实现割草功能。在一个实施例中，电机104可以为三相无刷电机，三相定子绕组之间采用三角形或y型连接。
22.驱动电路103与电机104的定子绕组电性连接，用于将来自电源电路101的电流传递至定子绕组以驱动电机104旋转。作为实施例的一种，如图1所示，驱动电路103包括多个开关元件。开关元件的每个栅极端与控制器105电性连接，用于接收来自控制器105的控制信号。开关元件的每个漏极或源极与电机104的定子绕组连接。开关元件接收来自控制器105的控制信号改变各自的导通状态，从而改变电源电路101加载在电机104的定子绕组上的电流。在一个实施例中，驱动电路103可以是包括六个可控半导体功率器件q1~q6（例如fet，bjt，igbt等）的三相桥驱动器电路。可以理解的是，上述开关元件也可以是任何其他类型的固态开关，例如绝缘栅双极型晶体管（igbt），双极结型晶体管（bjt）等。
23.为了使电机104转动，驱动电路103具有多个驱动状态，在一个驱动状态下电机的定子绕组会产生一个磁场，控制器105依据电机的转子位置或反电动势输出相应的pwm控制信号至驱动电路103中的开关元件以使驱动电路103切换驱动状态，从而使定子绕组产生变化的磁场以驱动转子转动，进而实现电机104的转动或换相。需要说明的是，其它任何能够驱动电机104的转动或换相的电路和控制方式均可用于本公开，本公开对驱动电路103的电路结构和控制器105对驱动电路103的控制不做限制。
24.容量均衡电路102，具有若干开关元件和电感元件以切换若干电池包之间的充电或放电状态。在一个实施例中，容量均衡电路102用于将通过电源接口101串联的两个电池包之间的电压或者容量进行均衡，力求两个电池包的电压或容量一致或者使二者的差值在一个对电池包充放电影响较小的可接受范围内。在一个实施例中，如图2所示，容量均衡电路102有两个开关元件q21、q22和一个电感l组成，开关元件q21与电感l串联后并联于一个电池包，开关元件q22与电感l串联后并联于另一个电池包。可选的，容量均衡电路102中开关元件的类型或型号可以与驱动电路103中的开关元件一样，具体可选的类型此处不再赘述。
25.控制器105，至少与电源接口101和容量均衡电路102构成电性连接，可选的，控制器105还可以与驱动电路103电性连接。具体实现中，控制器105能够获取第一电池包和第二电池包的电参量，然后计算两个电池包电参量之间的差值，并比较该差值与预设参量阈值之间的关系，在上述差值达到参量阈值时，改变容量均衡电路102的导通状态即开关元件
q21和q22的导通和/或断开状态。其中，电参量阈值为衡量串联电池包能否充分放电的最大电参量差值，例如，在两个两串联电池包的电参量差值小于上述预设参量阈值时，两个电池包均可进行较充分的放电，不会造成电量浪费，同时电动工具的续航时间也可得到保证；在电参量的差值大于预设参量阈值时，电参量较小的电池包将预先放完电，之后电源接口101将停止电量输出，从而会造成电参量高的电池包的电量浪费，也会影响电动工具的续航时间。
26.具体实现中，电参量可以是电压或者电量即电池包的电容量。在一个实施例中，控制器105可以获取第一电池包中电压最低的电芯的第一电压，并获取第二池包中电压最低的电芯的第二电压，然后比较两个电压之间的差值，在该差值达到预设参量阈值时，改变容量均衡电路的导通状态。可以理解的是，第一电压大于第二电压，第一电压与第二电压之间的差值为一个正数。在该实施例中，预设参量阈值可以是0.1v。
27.在一个实施例中，控制器105能够获取第一电池包的第一电量，获取第二池包的第二电量，然后计算第一电量与第二电量之间的差值，并计算该差值与第一电量的百分比，在上述百分比达到预设参量阈值时，改变容量均衡电路的导通状态。可以理解的是，第一电量大于第二电量，第一电量大于第二电量的差值为正数，该差值与第一电量的百分比也是正数。在该实施例中，预设参量阈值可以是5%。
28.在一个实施例中，控制器105在采集并对比两电池包的电参量后，可以控制与电参量高的第一电池包bat1并联的第一开关元件q21导通，同时控制与电参量低的第二电池包bat2并联的第二开关元件q22断开，从而使第一电池包bat1通过第一开关元件q21向电感l充电；在bat1向电感l充电至预设放电时长后，控制第一开关元件q21断开，同时控制第二开关元件q22导通，使电感l通过q22续流，向第二电池包bat2放电。其中，第一电池包bat1放电的预设放电时长可以根据实际需求进行自定义，也可以事先写入控制器105的软件程序。
29.在一个实施例中，控制器105可以根据上述电参量差值的大小设定预设放电时长。具体的，在电参量差值大于预设参量阈值小于第一设定阈值时，可以将第一电池包的预设放电时长设为第一放电时长，在电参量差值大于或等于第一设定阈值小于第二设定阈值时，将第一电池包的预设放电时长设为第二放电时长。其中，第一设定阈值大于预设参量阈值且小于第二设定阈值，第一放电时长小于第二放电时长。例如，预设参量阈值为5%，第一设定阈值为10%，第二设定阈值为30%，若电参量差值小于5%时控制器105不动作；若电参量差值大于5%小于10%，控制器105控制第一电池包先放电5ms；若若电参量差值大于10%小于30%，控制器105控制第一电池包先放电10ms。可以理解的是，本领域技术人员可以根据实际需求设置多个梯度的预设放电时长，此处不做限制。通过自定义设置一个或多个预设放电时长，提高了电池包之间进行电量均衡的效率。
30.在一种优选的实现方式中，控制器105可以以一定的频率控制第一电池包进行多次放电，且上述频率需大于预设放电时长和电感向第二电池包充电的时长之和。
31.进一步的，控制器105在控制第一电池包和第二电池包进行一次或多次电量均衡后，若二者的电参量差值小于预设参量阈值，控制器105控制第一开关元件和第二开关元件同时断开，停止电池包之间为达到电量均衡而进行的充放电。
32.在一个实施例中，在电动工具处于工作状态的过程中，控制器105可以实时监测或者以一定的频率监测第一电池包和第二电池包之间的电参量差值，从而进行电池包之间的
电量均衡控制。
33.在一些实施例中，电源接口101可以实现多个电池包的串联，多个串联电池包之间进行电量均衡的方法可以参考双包串联时的均衡方法，此处不再赘述。
34.在本技术实施例中，通过控制串联电池包之间进行电量的主动均衡，避免了电量浪费，提高了串联电池包的放电时长，从而保证了电动工具的续航时间。
35.在本发明的第二个实施例中，参考图3所示的一种充电器的电路结构框图。充电器可以包括充电电路201、电池包接口202、容量均衡电路202、和控制器203。
36.充电电路201，用以接入交流市电，可选的，充电电路201中可以包括ac-dc转换电路、升压电路、压电路、逆变电路等。
37.电池包接口202，具体实现中，电池包接口202用于实现若干电池包的电性连接，并将电性连接的电池包接入充电器。在一个实施例中，电池包接口202包括两对接口1、接口2。如图3所示，两个电池包bat1和bat2分别对应一对接口1、接口2，且bat1通过其对应的接口1和bat2对应的接口2实现两个电池包的串联，bat1对应的接口2和bat2对应的接口1用于将两个串联的电池包接入充电电路201和容量均衡电路202，从而实现充电器对两个串联电池包的充电。可以理解的是，两串联的电池包的类型可以相同也可以不同，例如，电池包可为锂电池包、锂基电池包、固态电池包或石墨烯电池包。二者的额定电压或者容量也可以相同或者不同，可选的，电池包的额定电压为18v、20v、24v、28v、30v、56v、大于56v等，容量为1.2ah，1.3ah，1.4ah，2.0ah，2.4ah，2.6ah，3.0ah等。一般而言，为实现较优的充电状态，两个串联的电池包可以具有相同的类型和型号。
38.容量均衡电路203，具有若干开关元件和电感元件以切换若干电池包之间的充电或放电状态。在一个实施例中，容量均衡电路203用于将通过电池包接口202串联的两个电池包之间的电压或者容量进行均衡，力求两个电池包的电压或容量一致或者使二者的差值在一个对电池包充放电影响较小的可接受范围内。在一个实施例中，如图2所示，容量均衡电路有两个开关元件q21、q22和一个电感l组成，开关元件q21与电感l串联后并联于一个电池包，开关元件q22与电感l串联后并联于另一个电池包。可选的，容量均衡电路203中的开关元件可以是可控半导体功率器件（例如fet，bjt，igbt等），也可以是任何其他类型的固态开关，例如绝缘栅双极型晶体管（igbt），双极结型晶体管（bjt）等。
39.控制器204，至少与充电电路201、电池包接口202、容量均衡电路203构成电性连接。具体实现中，控制器204通过电池包接口202可以分别采集两串联电池包各自的电参量，例如采集电池包的电压或者容量，然后计算二者电参量之间的差值，并比较该差值与预设参量阈值之间的关系，在上述差值达到参量阈值时，控制容量均衡电路203的导通状态即开关元件q21和q22的导通和/或断开。其中，电参量阈值为衡量串联电池包能否充分充电的最大电参量差值。可以理解的是，若充电前两串联电池包的电参量差值小于上述预设参量阈值，对两个电池包采用同样的充电电压充电后，二者的电参量差值也较小，再针对充电后的电池包进行放电时，将不会造成电量浪费，同时也不影响电动工具的续航时间；相反的，若充电前两串联电池包的电参量差值大于预设参量阈值，采用同样的充电电压充电后，电参量小的电池包先充满，电参量大的电池包距离充满还差较多电量，即充电后二者的电参量差值仍较大，再针对充电后的两串联电池包进行放电时仍会造成电量浪费，同时影响电动工具的续航时间。
40.具体实现中，电参量可以是电压或者电量即电池包的电容量。在一个实施例中，控制器105可以获取第一电池包中电压最高的电芯的第一电压，并获取第二池包中电压最高的电芯的第二电压，然后比较两个电压之间的差值，在该差值达到预设参量阈值时，改变容量均衡电路的导通状态。可以理解的是，第一电压大于第二电压，第一电压与第二电压之间的差值为一个正数。在该实施例中，预设参量阈值可以是0.1v。
41.在一个实施例中，控制器105能够获取第一电池包的第一电量，获取第二池包的第二电量，然后计算第一电量与第二电量之间的差值，并计算该差值与第一电量的百分比，在上述百分比达到预设参量阈值时，改变容量均衡电路的导通状态。可以理解的是，第一电量大于第二电量，第一电量大于第二电量的差值为正数，该差值与第一电量的百分比也是正数。在该实施例中，预设参量阈值可以是5%。
42.具体实现中，控制器204控制两串联电池包进行电量均衡的过程可以参见第一个实施例中的描述，此处不再赘述。
43.进一步的，控制器204在串联电池包的电量均衡后，输出控制信息至充电电路201，控制充电电路201对电池包进行充电。
44.在该实施例中，实现了一种串联电池包的充电方法，提高了充电器对电池包充电的适配性。通过在串联电池包充电之前或者充电的过程中，对串联电池包进行电量均衡，保证了最终充电后的电池包之间的电参量差值较小，从而避免了采用充电后的串联电池包供电时造成电量浪费，保证了供电工具的续航时间。
45.下面将结合图4说明采用双包串联供电的电动工具的控制方法的流程示意图，该方法包括如下步骤：s101，获取第一电池包和第二电池包的电参量。
46.s102，判断第一电池包和第二电池包的电参量差值是否达到预设参量阈值，若是则执行步骤s103，否则返回步骤s101。
47.s103，控制容量均衡电路中的第一开关元件导通，第二开关元件断开。
48.需要说明的是，容量均衡电路中包括两个开关元件和一个电感元件。将串联电池包中电参量高的电池包定义为第一电池包，电参量低的电池包为定义第二电池包，进一步的，与电感元件串联后再与第一电池包并联的开关元件为第一开关元件，与电感元件串联后再与第二电池包并联的开关元件为第二开关元件。
49.s104，在预设放电时长后，控制第一开关元件断开，第二开关元件导通。
50.s105，判断电参量差值是否达到预设参量阈值，若是则转入步骤s103，否则转入步骤s106。
51.需要说明的是，第一开关元件断开和第二开关元件导通的状态维持的时间由电感元件l的放电速度决定。在电感元件l放电结束后，可以再次采集串联电池包的电参量并计算电参量差值。进一步的，再次判断电参量差值与预设参量阈值的关系，并据此确定是否需要再次进行电量均衡，直至电参量差值小于预设参量阈值。
52.s106，控制第一开关元件和第二开关元件同时断开。
53.下面将结合图5说明两串联电池包的充电流程示意图，该过程包括如下步骤：s201，获取第一电池包和第二电池包的电参量。
54.s202，判断第一电池包和第二电池包的电参量差值是否达到预设参量阈值，若是
则执行步骤s203，否则返回步骤s201。
55.s203，控制容量均衡电路中的第一开关元件导通，第二开关元件断开。
56.s204，在预设放电时长后，控制第一开关元件断开，第二开关元件导通。
57.s205，判断两串联电池包的电参量差值是否达到预设参量阈值，若是则转入步骤s203，否则转入步骤s206。
58.s206，控制第一开关元件和第二开关元件同时断开。
59.s207，输出控制信息至控制充电电路为第一电池包和第二电池包同时充电。
60.需要说明的是，上述步骤的执行顺序并不用以限定串联电池包的均衡是在充电前或者充电中，在串联电池包充电中涉及上述电两均衡的控制方法均在本技术的保护范围内。
61.上述方式可通过写入控制器的软件程序执行。
62.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。